【丰云】合成慣性讓風能也可成為電網的穩定力量

作者 | 發布日期 2016 年 11 月 29 日 8:38 | 分類 太陽能 , 能源科技 , 風力
flickr Tony Webster

綠能發展至今,許多國家綠能佔比日漸提升,綠能支持者對於反對者所謂「不穩定」批評頗有微詞,尤其是如今配合衛星雲圖,雲況、風況預測都越來越準確,不論雲層遮蔭造成的太陽能發電量下降,以及風力減弱造成的風能發電減低,電網均可事先應對,已經沒有什麼真正的意外突發狀態造成所謂的不穩定,不過,電網方面對綠能仍然抱持「不穩定」看法,與其說是真的會帶來不穩定,不如說是因為「沒有穩定的力量」。



所謂「穩定的力量」,指的是傳統發電方式中,與電網交流電頻率同步的各渦輪機以及飛輪,這些設備都有龐大的質量,發電過程中持續的高速旋轉,有強大慣性,一旦電網上發生任何意外,如某部機組突然跳機,或變電廠發生事故,供需失衡導致電網上交流電的頻率驟降時,這些旋轉中設備的慣性,就成為一股強大的「穩定的力量」,因為慣性抵抗減速,讓這些機組物理上自動能瞬間提高輸出,緩衝頻率驟降的幅度,為電網操作人員爭取時間,啟動各種備轉設備與措施來防止電網崩潰。

太陽能沒有這種「穩定的力量」,風能雖然風機也是有巨大質量在旋轉,但是沒有直接與電網同步,所以不像前述各種旋轉裝置有自動提升出力緩衝的功能,因此過去也一樣被視為「沒有穩定的力量」,因此造成電網接受度上的阻礙。不過,既然實際上風機有巨大質量在旋轉,可以故意採用非常規的操作,以犧牲動能,減慢風機轉速為代價,一時突然拉高發電量,模擬其他設備的慣性反應,這種技術,稱之為「合成慣性」(Synthetic Inertia)。

合成慣性技術可解決電網長期以來的憂慮。隨著許多綠能發展先驅國家綠能佔比達到越來越高比例,電網上具有慣性穩定能力的發電來源相對比例減少,營運者越來越擔憂一旦出任何意外狀況時「穩定的力量」不足,但如果風力發電機都能以合成慣性提供「穩定的力量」,那麼電網營運者可就放心多了。

當然,能源不會無中生有,不管是傳統的慣性穩定力量,還是風機的合成慣性,都必須付出代價,那就是因為動能轉換為電能,轉速會減慢,一時提高輸出之後要用其他措施輸入能量來拉回轉速,過去電網若半小時內連續發生重大意外就可能無法避免跳電,就是因為旋轉慣性用掉了,還在拉高轉速中,又發生意外,慣性穩定力量不足,來不及應變。

風機助魁北克電網度過危機

風機的合成慣性也是一樣,一時提高輸出,會使得風機扇葉的轉速降低,得汲取風能來重新加速風機,使得發電量大減,造成電網的恢復時間延長;或是若設定錯誤,汲取風能過多,供電減少過度,甚至有可能會發生反而讓電網出現二度危機的情況。因此,最新的合成慣性發展,考量到這種可能性,將限制重新加速期汲取的電力,以避免造成二度危機。

合成慣性過去只是理論,如今已經有實際應用並度過電網危機的實例,加拿大魁北克水電(Hydro-Québec)輸電部門魁北克水電輸電(Hydro-Québec TransÉnergie)是全球首先規範風機採用合成慣性的電網營運者,目前擁有 3,300 百萬瓦(MW)風力發電容量,由於魁北克電網是北美規模最小的電網,尖峰容量不過 40 吉瓦(GW),相對而言,任何事故對電網的影響就更大,對穩定性的需求也更殷切。

因此,魁北克水電輸電自 2005 年就規範風機需有合成慣性功能,規定風力發電機在電網事故造成頻率突降時,必須能緊急提供名目發電容量 6% 的電力,協助電網度過難關。搭載合成慣性功能的首批風機在 2011 年完工上線,風機來自印度風能大廠蘇司蘭能源公司(Suzlon)旗下德國風機解決方案廠商 Senvion,以及德國最大風機製造商愛納康(ENERCON),如今魁北克水電輸電的電網上,有合成慣性功能的風機佔總數三分之二。

2015 年 12 月,這些風機派上用場,魁北克電網發生重大變電所事故,導致 1,600 百萬瓦電力來源斷線,各風機的合成慣性總共緊急輸出 126 百萬瓦,防止系統崩潰,撐住魁北克電網的頻率僅降至 59.1 赫茲(Hz),估計若沒有合成慣性,還會再掉 0.1~0.2 赫茲,魁北克水電輸電估計,若是這些風機都改成具備傳統慣性的發電方式,所能提供的支撐幅度也差不多是如此。

也就是說,在事故發生的第一時間應變階段,合成慣性表現與傳統慣性一樣好。

但是,在恢復階段,根據愛納康資料顯示,為了回到最佳轉速,有些風機的發電量大降 60%,這使得電網整體恢復速度減慢,魁北克電網頻率因此保持在 59.4 赫茲好一段時間,之後額外電力輸入,才重回正常值 60。魁北克電網記取這次經驗,打算限制恢復階段時,風機用來恢復轉速所汲取的風能,不能超過名目發電容量的 20%。

魁北克電網的此次經驗,證明風機搭載合成慣性功能以後,雖然針對恢復期的運作還需調整參數以達最佳化,但已經可以初步擔任過去傳統發電方式慣性的「穩定的力量」,在風能日漸普及的趨勢下,對全球所有電網營運者來說,都是一大好消息,而對風能產業的進一步發展也是一大助力,未來,風機可望大多數都搭載合成慣性功能,電網將不再抱怨風能「不穩定」,因為它也是「穩定的力量」之一了。

(首圖來源:Flickr/Tony Webster CC BY 2.0) 

發表迴響